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庞斌同学答辩中

 

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答辩老师现场讨论

 

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课题组同学到场支持

 

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答辩委员会全体成员(左起:姚淑华老师,陈延彬老师,庞斌,周健老师,熊烨老师,张善涛老师,王瑞雪博士后)

 

  毕业,说起来是件人生大事,硕士毕业,更是如此。

庞斌,

恭祝你硕士研究生顺利毕业,

不要忘记,

陪伴你三年的,

可亲可敬的各位老师,

朝气蓬勃又勤奋进取的师弟师妹和师兄师姐,

还有唐仲英A207的那张办公桌。

未来路还很长,青春还没有散场,

祝你毕业快乐,前程似锦!

 

 

我校现代工程与应用科学学院材料科学与工程系、固体微结构物理国家重点实验室、南京微结构科学与技术协同创新中心周健副教授、陈延峰教授研究组在量子化拓扑霍尔效应方面取得重要进展:该结果以《Predicted Quantum Topological Hall Effect and Noncoplanar Antiferromagnetism in K0.5RhO2》为题,于2016620日发表在《Physical Review Letters[116, 256601 (2016)]

霍尔效应(Hall effect)是指在一个通有电流的导体中,如果施加垂直磁场,则在垂直于磁场和电流的方向上产生一个横向电压的现象。这一现象由E. H. Hall1879年发现,次年他进一步发现:在铁磁导体中的霍尔效应远大于非磁材料,甚至在不加外磁场时也会有霍尔效应,被称为反常霍尔效应(anomalous Hall effect)。对于霍尔效应,可以用简单的洛伦磁力来解释,而本征的反常霍尔效应则需要利用电子的自旋轨道耦合和Berry曲率才能够得到解释。

在霍尔效应发现100年后,德国物理学家von Klitzing1980年发现了量子霍尔效应,即整数量子霍尔效应。美籍华裔物理学家崔琦则于1982年发现了分数量子霍尔效应。对应于反常霍尔效应的量子化更为扑朔迷离,直到2013年,我国清华大学和中科院物理所的研究团队才在铁磁掺杂的拓扑绝缘体(Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3)中实现了量子化反常霍尔效应(quantum anomalous Hall effect, QAHE),从而成为继量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应之后的量子霍尔效应家族的最后一位成员

但事实上,反常霍尔效应可以更“反常2001年,东京大学Nagaosa教授等提出:如果一个巡游电子经过一个非共面磁结构,就会获得一个Berry相位γ=Ω/2,其中Ω=S1•(S2×S3)代表三个自旋矢量张成的立体角,也就是scalar spin chirality,如图1所示。这个Berry相位等效于一个外磁场,从而可以产生巨大的反常霍尔效应。人们把这种由非共面磁性所造成的反常霍尔效应称之为非常规的反常霍尔效应(unconventional anomalous Hall effect)或者拓扑霍尔效应(topological anomalous Hall effect, THE)。目前人们已经在多个体系中证实了THE的存在。比如最近在室温下观察到Mn3Sn中具有的巨大的反常霍尔效应就是来自于这种非共面磁性。在Skyrmions体系中也观察到了THE

 

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1. 三个非共面的磁矩张成一个立体角

 

那么这种“反常的反常霍尔效应是否可以实现量子化呢,即是否存在量子化拓扑霍尔效应(quantum topological Hall effect, QTHE)呢?目前关于这方面的研究非常少。而我们的工作第一次通过第一性原理计算预测层状Rh氧化物材料K0.5RhO2可能会具有QTHE

KxRhO2是一个由RhO2层和K层交替排列形成的层状材料(图2(a)),其中RhO2层形成二维的三角晶格。当x=0.5时,我们通过计算并比较了大量不同磁结构的能量,发现该材料具有一个特别的磁基态:全出/全进的非共面反铁磁(图2(a)(b)),该磁结构元胞为晶体学元胞的4倍(2×2×1)。从能带上看,该材料具有一个0.22 eV左右的能隙,而且在能隙中,具有量子化的反常霍尔电导,(图2(d))。我们计算了该体系的陈数,发现一个元胞中的陈数是2,这是因为一个元胞里有两层RhO2,每一层的陈数为1,所以总的陈数为2。理论上预言,具有非零陈数的体系可表现为内部是很好的体态绝缘性质,而在边界上存在手性拓扑导电态,可无耗散地传输电流从而极大地降低器件的能耗,因此在材料科学和电子学中具有巨大的应用潜力。

在上述的计算中,我们并没有包含自旋轨道耦合,非共面的磁结构来自于三角晶格的自旋阻错。如果进一步考虑到自旋轨道耦合的作用,则结果类似(如图2(e))。通过简单的海森堡模型估算出该体系磁结构的奈耳温度在20 K左右,远高于目前实验上的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3体系的温度。

因此,我们通过第一性原理预测:K0.5RhO2中可能存在一种新的QAHE—QTHE。该效应的特别之处在于:它不需要自旋轨道耦合,也不需要系统具有净磁矩或者铁磁性,完全可以在净磁矩为零的反铁磁材料中实现QAHE。该工作为实验上寻找其它的QAHE体系提供了新的思路。

我校工学院周健副教授和绍兴文理学院物理系梁奇锋副教授为共同第一作者,我校工学院陈延峰教授和台湾大学物理系郭光宇教授为共同通讯作者,北京物理所翁红明研究员、我校工学院姚淑华副教授、物理学院陈延彬副教授和董锦明教授参与了本工作。本工作得到了项目得到了国家重点基础研究发展计划(973计划)和国家自然科学基金委项目等基金的支持。

论文连接:http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.256601

 

fig2

2. (a) K0.5RhO2的全出/全进的磁结构元胞,绿色箭头代表Rh离子磁矩的方向;(b) 一层RhO2层形成的三角晶格及其磁矩;(c) 一层RhO2层中四个Rh离子上的磁矩张成一个Bloch球面,其立体角为4π,因此对应的Berry相位为,陈数为1(d) 不考虑自旋轨道耦合时,全出/全进磁结构的能带图(左)和对应的反常霍尔电导随费米能的变化;(e)同图(d)类似,但是考虑了自旋轨道耦合效应。

 

物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、南京微结构科学与技术协同创新中心的李绍春教授与陈延彬副教授合作,在表征二维拓扑绝缘体方面取得了重要进展,相关研究成果以《Experimental Observation of Topological Edge States at the Surface Step Edge of the Topological Insulator ZrTe5》为题,于2016年04月28日在线发表在Physical Review Letters [PRL 116, 176803 (2016)]。南京大学物理学院博士生李向兵,已毕业硕士生黄文凯,和工学院博士生吕洋洋为论文的共同第一作者。李绍春教授和陈延彬副教授为论文的共同通讯作者。南京大学陈延峰教授和邢定钰院士指导了本文工作。邢定钰院士在论文的写作方面给予了大力的支持。其它单位的参与者包括清华大学的薛其坤院士和上海交通大学的贾金锋教授。

二维拓扑绝缘体由于具有量子自旋霍尔效应而最近备受学术界的关注。二维拓扑绝缘体的特点是,具有带隙的体能带结构和拓扑保护的一维边界态。在实验上寻找结构稳定的大能隙二维拓扑绝缘体是当前凝聚态物理领域的一个研究热点,致力于提高量子自旋霍尔效应的工作温度。近年来,很多研究工作都聚焦于ZrTe5, 该材料很有可能是一种良好的二维拓扑绝缘体。然而ZrTe5的三维体相的拓扑性质却存在极大的争议。理论计算表明体相ZrTe5是弱拓扑绝缘体或者强拓扑绝缘体,而大量的实验结果显示ZrTe5的体相具有半金属行为。在本工作中,我们首次利用高分辨的扫描隧道显微技术在实空间的原子尺度上精确表征了ZrTe5的体态和边界态,并发现在表面台阶处具有一维的拓扑边界态,而体能带具有100 meV左右的带隙,从而证实了ZrTe5是一种新的大带隙二维拓扑绝缘体。另外,我们还在实验上首次观察到了一维拓扑边界态在磁场下的响应。在外磁场作用下,能量简并的一维边界态发生了能量劈裂。这种边界态在能量上的劈裂与其体能带在磁场下的变化有密切的关系,并且与理论模型相吻合。

ZrTe5材料具有高质量的单晶性和理想的一维表面台阶结构,为进一步研究基于二维拓扑绝缘体界面的奇异物理现象提供了良好的材料平台,比如探寻Majorana费米子或者反常量子霍尔效应等等。

本工作的完成得益于南京大学在三个方面的完美合作,包括高质量单晶样品的制备(陈延彬、陈延峰),高分辨的低温扫描隧道显微术表征(李绍春)和理论模型的支持(盛利、邢定钰)。

 

ZrTe5 paper

 

文章发表于 Physical Review Letters 116, 176803 (2016).

全文链接:  http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.176803

2016年5月21日

我们使用PLD方法在SrTiO3衬底上生长了CaRuO3薄膜。TEM表征显示CaRuO3薄膜具有有应变的立方结构和正交结构,我们发现由于部分CaRuO3具有立方结构,所以我们的薄膜显示一定的铁磁性。而一般体相的CaRuO3是没有磁性的。以上磁性也通过第一性原理计算获得验证。另外,我们还讨论了CaRuO3薄膜的形成机理。

本论文发表在APL。

全文链接: http://apl.aip.org/resource/1/applab/v96/i18/p182502_s1

4 May, 2010

  

 

 

Topological insulators represent a new state of quantum matter recently discovered with insulating bulk but conducting surface states formed by an odd number of Dirac fermions. In this Letter, we report our recent progress on the study of electronic structures of ex-situ grown topological insulator thin films by angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES). We successfully obtained the topological band structures of molecular beam epitaxial HgTe and vapor–solid grown Bi2Te3 thin films after proper surface cleaning procedures. This new development will not only enable us to study more topological insulators that cannot be measured by conventional in-situ ARPES technique (e.g. by cleaving or growing samples in-situ), but also open the door to directly characterize the electronic properties of topological insulators used in functional devices.

文章作为封面,发表在physica status solidi-Rapid Research Letters 7, 130 (2013)

全文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pssr.201206400/abstract

封面链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pssr.201390000/abstract

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